CN114293393B - 一种碱结合双螺杆挤压预处理联合生物添加剂提高生物质酶解效率的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碱结合双螺杆挤压预处理联合生物添加剂提高生物质酶解效率的工艺，于缓冲液中，以透过20～40目筛网的去木质素纤维为底物，所述底物与酪蛋白酸钠充分作用后，再经纤维素酶酶解。本发明通过添加酪蛋白酸钠，降低纤维素酶与预处理后生物质表面残留的木质素间形成的非生产性吸附，从而提高生物质酶解转化低的问题。预处理生物质并添加酪蛋白酸钠，酶解结束时葡萄糖的浓度高达21.72g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率为95.97％，预处理与酪蛋白酸钠的共同作用远大于单独作用，尤其是细小纤维与络蛋白酸钠所产生的协同作用尤为突出。

Description

一种碱结合双螺杆挤压预处理联合生物添加剂提高生物质酶 解效率的工艺

技术领域

本发明属于生物质利用领域，具体涉及一种碱结合双螺杆挤压预处理联合生物添加剂提高生物质酶解效率的工艺。

背景技术

生物质能源作为一种前途光明的可再生资源，极大程度上减弱化石能源广泛利用带来的能源枯竭和环境污染等不可逆问题。其中，我国作为农业大国，小麦秸秆、玉米秸秆以及稻草等农作物残留物可作为生物质能源的重要来源。同时，村镇生物质的回收解决传统处理方式所带来的大气、水体污染以及秸秆还田所带来的土壤板结问题。但村镇生物质内的组分含量、结构复杂性阻碍其酶解糖化高效利用。因此，如何高效利用村镇生物质能源称为一大热点和难点。

目前，村镇生物质主要通过预处理方式去除木质素和/或半纤维素，提高纤维素含量，破坏村镇生物质的生物屏障性。预处理方式根据作用原理不同可分为物理法、化学法和生物法，也可不同方法进行组合达到预处理目的，木质素脱除率随着预处理条件的剧烈程度变化，但生物质本身无法实现木质素全部脱除，残留的木质素成分仍会对纤维素的酶解糖化存在抑制作用，而增加预处理的剧烈程度会造成碳水化合物保留率降低，同时使脱除的木质素形成“木质素液滴”的形式重新吸附到纤维素表面。

由于预处理后的生物质表面仍含有部分木质素组分，且这部分木质素结构、性质发生改变，在酶解体系内可与纤维素酶非生产性结合纤维素酶的碳水结合区域，降低纤维素酶与纤维素的结合机率，从而降低纤维素的酶解糖化效率。目前抑制木质素与纤维素酶非生产性结合的方式主要有化学剂的添加，如：吐温80、聚乙二醇、以及甜菜碱型等表面活性剂。但化学性表面活性剂具有较低的生物相容性且不可回收，对后续工艺流程造成负面影响。或者利用木质素的pH响应性与表面活性剂接枝实现回收重复利用，但回收效率有效且接枝过程工艺复杂、成本较高。生物添加剂可作为木质素阻断剂降低纤维素酶的非生产性吸附，同时具有较高的生物相容性，不会对后续工艺流程产生负面影响。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种碱结合双螺杆挤压预处理联合生物添加剂提高生物质酶解效率的工艺，以解决生物质酶解过程中非生产性吸附纤维素酶的难题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种利用酪蛋白酸钠和预处理技术提高生物质酶解效率的工艺，于缓冲液中，以透过20～40目筛网的去木质素纤维为底物，所述底物与酪蛋白酸钠充分作用后，再经纤维素酶酶解。

其中，所述去木质素纤维为将生物质脱除木质素后的纤维。

其中，所述筛网的目数优选为30目。

其中，所述缓冲液为柠檬酸钠缓冲液，优选为0.01～0.1M、pH＝4.5～5.5的柠檬酸钠缓冲液，进一步优选为0.05M、pH＝5的柠檬酸钠缓冲液。

其中，如图1所示，所述去木质素纤维的制备方法为将生物质经碱法和双螺杆挤压法结合处理去除木质素，得到去木质素纤维；其中，所述碱法所用碱为0.05～0.15g/L的NaOH水溶液，优选为0.1g/L的NaOH水溶液；生物质与NaOH水溶液的固液比为1kg:(1～3)L，优选为1kg:2L；所述双螺杆运行的温度为50～90℃，优选为70℃；所述涮螺杆运行的转速为100～180r/min，优选为140r/min。

其中，所述去木质素纤维与缓冲液的用量为1g:(15～35)mL，优选为1g:25mL。

其中，所述络蛋白酸钠又称酪蛋白钠、酪朊酸钠，是牛乳中主要蛋白酪蛋白的钠盐。

其中，所述络蛋白酸钠的用量为0.05～0.3g/g去木质素纤维，优选为0.1～0.25g/g去木质素纤维，进一步优选为0.2g/g去木质素纤维。

其中，所述底物与酪蛋白酸钠作用为将底物与络蛋白酸钠于40～60℃搅拌，优选为50℃。

其中，所述搅拌的转速为50～250rpm，优选为150rpm。

其中，所述搅拌的时间为0.5～3.5h，优选为2h

其中，所述纤维素酶的用量为2～10FPU/g去木质素纤维，优选为5～10FPU/g去木质素纤维，进一步优选为5FPU/g去木质素纤维。

其中，所述纤维素酶的酶活力为260FPU/mL。

本发明利用碱法和双螺杆解压结合的预处理方式处理小麦秸秆，脱除小麦秸秆中的部分木质素，同时保留小麦秸秆中的多数碳水化合物，提高纤维素酶对纤维素的可及性。通过进一步添加酪蛋白酸钠，降低纤维素酶与预处理后生物质表面残留的木质素间形成的非生产性吸附，从而提高生物质酶解转化低的问题。预处理生物质并添加酪蛋白酸钠，酶解结束时葡萄糖的浓度高达21.72g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率为95.97％，预处理和酪蛋白酸钠共同作用下比小麦秸秆原料提高84.62％，且预处理与酪蛋白酸钠的共同作用远大于单独作用，尤其是细小纤维与络蛋白酸钠所产生的协同作用尤为突出，这主要是由于碱性和双螺杆解压结合的预处理方式破坏小麦秸秆的生物屏障，酪蛋白酸钠与预处理后残留木质素结合，降低纤维素酶的非生产性吸附。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：

(1)碱预处理结合双螺杆挤压技术木质素脱出效果较好，且能保持较高的碳水化合物保留率。

(2)酪蛋白酸钠作为酪蛋白的一种钠盐，具有良好的的稳定性、生物相容性，减少对后续工艺流程的影响。

(3)相对于未处理的生物质小麦秸秆，预处理技术和酪蛋白酸钠的添加可实现酶解48h时纤维素在低酶负载量(5FPU/g)实现95.97％的高转化率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的预处理工艺破坏木质素物理屏障。

图2为本发明生物添加剂酪蛋白酸钠降低木质素非生产性吸附作用机理。

具体实施方式

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

以下实施例中生物质的化学成分分析的检测方法采用国家可再生能源实验室(NRELNREL)法，检测步骤如下：

1)将300±10mg加入3.00±0.01mL(或4.92±0.01g)的72％硫酸，充分混合后置入30±3的水浴摇床中60±5min；

2)加入84.00±0.04mL去离子水，将酸稀释至4％的浓度。放在高压釜中，在121℃下处理1h。在高压釜循环完成后，让水解物缓慢冷却到接近室温，然后拆卸盖子；

3)真空过滤高压釜水解溶液通过一个先前称重的过滤坩埚，收集滤液，用于测定酸溶性木质素和碳水化合物；

4)至少50mL的新鲜去离子水冲洗固体，在105±3℃下干燥坩埚和酸不溶性残基，直到达到恒定的重量，将样品从烘箱烤箱中取出，在干燥器中冷却。然后将坩埚和残渣放置在575±25℃的马弗炉中放置24±6h。

实施例1：预处理生物质的获取

由于未经过预处理的生物质含有的木质素组分较多，导致酶解效率较低的主要原因为木质素屏障阻碍酶与纤维素的接触，经过预处理的生物质可脱出多数木质素组分，未能完全脱除的木质素组分以非生产性吸附的方式抑制纤维素酶解，原料小麦秸秆(纤维素32.71％，半纤维素22.04％，木质素23.09％)，因此，本实施例通过碱性预处理和双螺杆挤压结合的方式得到综纤维、长纤维以及细小纤维三个组分，具体步骤如下：

将NaOH水溶液和小麦秸秆同时添加进双螺杆机器中，小麦秸秆通过料斗并依靠小麦秸秆自身推挤、滑移输送进入机筒，NaOH溶液以喷淋的方式进入机筒；其中，NaOH浓度为10％(g/L NaOH:H₂O)，小麦秸秆与NaOH水溶液的固液比为1kg:2L，不额外施加热源，稳定运行后物料温度维持在70℃，螺杆转速为140r/min，运行1h后，在能耗为530k Wh/t条件下，采用高浓磨处理预处理残留物，干燥，即得综纤维；将所得综纤维过30目筛子筛分，透过筛网的为细小纤维，未透过筛网的为长纤维。

所得综纤维、长纤维以及细小纤维中三素组分相同：纤维素含量为50.92％，半纤维素含量为23.55％，木质素含量为12.00％，可见，本实施例所提供的碱性预处理和双螺杆挤压结合的方式可有效脱除小麦秸秆中木质素组分，同时可保留其中碳水化合物。

实施例2：生物质酶解底物的选择

分别在四个反应瓶中加入相同干重的小麦秸秆原料、综纤维、长纤维以及细小纤维，依次添加0.05M的柠檬酸钠缓冲液，维持固液比为1:25g/mL。随后加入酶活性为260FPU/mL的纤维素酶，并使纤维素酶用量均保证在5FPU/g生物质，将整体生物质酶解体系放置150rpm、50℃的摇床内酶解48h，并定时收集上清液，采高效液相色谱上清液中的葡萄糖浓度；其中，所述纤维素酶的酶活定义为：在37℃，pH值为5.50的条件下，每分钟从浓度为4mg/mL的羟甲基纤维素钠溶液中讲解1μmol还原糖所需要的酶量为一个酶活力单位U。

酶解48h后，经高效液相色谱检测上清液中的葡萄糖含量，小麦秸秆生产葡萄糖浓度为1.65g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率仅为11.35％；综纤维组分生产葡萄糖浓度为12.59g/L，长纤维组分生产葡萄糖浓度为10.80g/L，而细小纤维组分生产葡萄糖浓度为13.74g/L。从酶解反应中葡萄糖浓度的变化，可得出葡萄糖产物的最大浓度为13.74g/L，对应最大转化率为60.71％，对应为三中不同酶解底物中的细小纤维，说明细小纤维更适合作为酶解反应的底物，提高生物质的转化效果，因而选择细小纤维作为酶解反应的底物生物质。

其中，葡萄糖转化率为：

Glucoseyield＝C_glucose*v*0.9/m_cellulose*100％

C_glucose——酶解反应液中葡萄糖的浓度；

V——酶解体系的体积；

0.9——纤维素转化为葡萄糖的转化系数；

m_cellulcose——酶解中预处理小麦秸秆中纤维素的质量。

以下实施例3～6中，所选用的酶解反应底物均为小麦秸秆经过预处理所得的细小纤维，所用的生物添加剂为酪蛋白酸钠。如图2所示，通过酪蛋白酸钠的添加将酶解体系分为生物添加剂与酶解底物中木质素结合、纤维素酶与酶解底物生产性结合两个阶段，按顺序切换，提高纤维素的转化效率。

0.05M、pH5.0的柠檬酸钠缓冲液25mL中加入干重1g的预处理生物质(细小纤维)，随后添加酪蛋白酸钠的用量0.1～0.25g/g，使酶解体系在摇床内充分震荡2h，然后添加260FPU/mL的纤维素酶，用量为5FPU/g生物质，定时收集上清液，高效液相色谱检测葡萄糖含量。

实施例3：以细小纤维为酶解底物，酪蛋白酸钠添加量为0.2g/g

采用0.05M、pH5.0的柠檬酸钠缓冲液构成的酶解体系。将实施例1得到的碱和双螺杆挤压结合预处理的细小纤维为酶解底物，与柠檬酸缓冲液的固液比为1:25g/mL，随后添加酪蛋白酸钠，其用量为0.2g/g细小纤维，然后在50℃、150rpm的酶解反应条件下维持2h，使生物质在柠檬酸钠缓冲液中充分分散提高传质效率，同时使酪蛋白酸钠与生物质中的木质素优先结合，减少纤维素酶的非生产性吸附。随后加入260FPU/mL的纤维素酶(用量为5FPU/g细小纤维)开始酶解。将整个酶解过程分为酪蛋白酸钠与木质素结合和纤维素酶结合纤维素生产葡萄糖两个阶段，按照时间进行。添加纤维素酶后开始进行酶解，并定时收集上清液100μL检测葡萄糖浓度。

采用带有折射率检测器的高效液相色谱、Aminex HPX-87H离子排斥柱分析收集上清液中的葡萄糖浓度，流动相采用5mM H₂SO₄，流速为0.6mol/L。其中48h酶解结束时葡萄糖的浓度为21.72g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率为95.97％，相对未添加酪蛋白酸钠的细小纤维酶解提高了35.26％。

实施例4：以细小纤维为酶解底物，酪蛋白酸钠添加量为0.15g/g

采用0.05M、pH5.0的柠檬酸钠缓冲液构成的酶解体系。将实施例1得到的碱和双螺杆挤压结合预处理的细小纤维作为酶解底物，与柠檬酸缓冲液的固液比为1:25g/mL，随后添加酪蛋白酸钠，其用量为0.15g/g细小纤维，然后在50℃、150rpm的酶解反应条件下维持2h，使生物质在柠檬酸钠缓冲液中充分分散提高传质效率，同时使酪蛋白酸钠与生物质中的木质素优先结合，减少纤维素酶的非生产性吸附。随后加入260FPU/mL的纤维素酶(用量为5FPU/g细小纤维)开始酶解。将整个酶解过程分为酪蛋白酸钠与木质素结合和纤维素酶结合纤维素生产葡萄糖两个阶段，按照时间进行。添加纤维素酶后开始进行酶解，并定时收集上清液100μL检测葡萄糖浓度。

采用带有折射率检测器的高效液相色谱、Aminex HPX-87H离子排斥柱分析收集上清液中的葡萄糖浓度，流动相采用5mM H₂SO₄，流速为0.6mol/L。其中48h酶解结束时葡萄糖的浓度为19.09g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率为84.33％，相对未添加酪蛋白酸钠的细小纤维酶解提高了23.62％。

实施例5：以细小纤维为酶解底物，酪蛋白酸钠添加量为0.1g/g

采用0.05M、pH5.0的柠檬酸钠缓冲液构成的酶解体系。将实施例1得到的碱和双螺杆挤压结合预处理的细小纤维作为酶解底物，与柠檬酸缓冲液的固液比为1:25g/mL，随后添加酪蛋白酸钠，其用量为0.1g/g细小纤维，然后在50℃、150rpm的酶解反应条件下维持2h，使生物质在柠檬酸钠缓冲液中充分分散提高传质效率，同时使酪蛋白酸钠与生物质中的木质素优先结合，减少纤维素酶的非生产性吸附。随后加入260FPU/mL的纤维素酶(用量为5FPU/g细小纤维)开始酶解。将整个酶解过程分为酪蛋白酸钠与木质素结合和纤维素酶结合纤维素生产葡萄糖两个阶段，按照时间进行。添加纤维素酶后开始进行酶解，并定时收集上清液100μL检测葡萄糖浓度。

采用带有折射率检测器的高效液相色谱、Aminex HPX-87H离子排斥柱分析收集上清液中的葡萄糖浓度，流动相采用5mM H₂SO₄，流速为0.6mol/L。其中48h酶解结束时葡萄糖的浓度为18.49g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率为81.68％，相对未添加酪蛋白酸钠的细小纤维酶解提高了20.97％。

实施例6：以细小纤维为酶解底物，酪蛋白酸钠添加量为0.25g/g

采用0.05M、pH5.0的柠檬酸钠缓冲液构成的酶解体系。将实施例1得到的碱和双螺杆挤压结合预处理的细小纤维作为酶解底物，与柠檬酸缓冲液的固液比为1:25g/mL，随后添加酪蛋白酸钠，其用量为0.25g/g细小纤维，然后在50℃、150rpm的酶解反应条件下维持2h，使生物质在柠檬酸钠缓冲液中充分分散提高传质效率，同时使酪蛋白酸钠与生物质中的木质素优先结合，减少纤维素酶的非生产性吸附。随后加入260FPU/mL的纤维素酶(用量为5FPU/g细小纤维)开始酶解。将整个酶解过程分为酪蛋白酸钠与木质素结合和纤维素酶结合纤维素生产葡萄糖两个阶段，按照时间进行。添加纤维素酶后开始进行酶解，并定时收集上清液100μL检测葡萄糖浓度。

采用带有折射率检测器的高效液相色谱、Aminex HPX-87H离子排斥柱分析收集上清液中的葡萄糖浓度，流动相采用5mM H₂SO₄，流速为0.6mol/L。其中48h酶解结束时葡萄糖的浓度为18.81g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率为83.10％，相对未添加酪蛋白酸钠的细小纤维酶解提高了22.39％。

通过上述实施例3～6可以看出，以细小纤维为酶解底物，同时添加酪蛋白酸钠酶解，酶解48h后纤维素转化为葡萄糖的转化率相对于未添加酪蛋白酸钠均有所提高。

对比例1：以小麦秸秆原料为底物酶解，酪蛋白酸钠添加量为0.2g/g

采用0.05M、pH5.0的柠檬酸钠缓冲液构成的酶解体系。将小麦秸秆原料与柠檬酸缓冲液的固液比为1:25g/mL，随后添加酪蛋白酸钠，其用量为0.2g/g小麦秸秆原料，然后在50℃、150rpm的酶解反应条件下维持2h；然后添加260FPU/mL的纤维素酶(用量为5FPU/g小麦秸秆原料)后开始进行酶解，并定时收集上清液100μL检测葡萄糖浓度。

采用带有折射率检测器的高效液相色谱、Aminex HPX-87H离子排斥柱分析收集上清液中的葡萄糖浓度，流动相采用5mM H₂SO₄，流速为0.6mol/L。其中48h酶解结束时葡萄糖浓度为3.05g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率仅为20.96％，相对未添加酪蛋白酸钠的小麦秸秆原料酶解提高了9.61％。

对比例2：以综纤维素为底物，酪蛋白酸钠添加量为0.2g/g

采用0.05M、pH5.0的柠檬酸钠缓冲液构成的酶解体系。将实施例1得到的碱和双螺杆挤压结合预处理的综纤维作为酶解底物，与柠檬酸缓冲液的固液比为1:25g/mL，随后添加酪蛋白酸钠，其用量为0.20g/g综纤维，然后在50℃、150rpm的酶解反应条件下维持2h，使生物质在柠檬酸钠缓冲液中充分分散提高传质效率，同时使酪蛋白酸钠与生物质中的木质素优先结合，减少纤维素酶的非生产性吸附。随后加入260FPU/mL的纤维素酶(用量为5FPU/g综纤维)开始酶解。将整个酶解过程分为酪蛋白酸钠与木质素结合和纤维素酶结合纤维素生产葡萄糖两个阶段，按照时间进行。添加纤维素酶后开始进行酶解，并定时收集上清液100L检测葡萄糖浓度。

采用带有折射率检测器的高效液相色谱、Aminex HPX-87H离子排斥柱分析收集上清液中的葡萄糖浓度，流动相采用5mM H₂SO₄，流速为0.6mol/L。其中48h酶解结束时葡萄糖的浓度为16.02g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率为70.77％，相对未添加酪蛋白酸钠的综纤维素解提高了15.14％。

对比例3：以长纤维为底物，酪蛋白酸钠添加量为0.2g/g

采用0.05M、pH5.0的柠檬酸钠缓冲液构成的酶解体系。将实施例1得到的碱和双螺杆挤压结合预处理的长纤维作为酶解底物，与柠檬酸缓冲液的固液比为1:25g/mL，随后添加酪蛋白酸钠，其用量为0.20g/g长纤维，然后在50℃、150rpm的酶解反应条件下维持2h，使生物质在柠檬酸钠缓冲液中充分分散提高传质效率，同时使酪蛋白酸钠与生物质中的木质素优先结合，减少纤维素酶的非生产性吸附。随后加入260FPU/mL的纤维素酶(用量为5FPU/g长纤维)开始酶解。将整个酶解过程分为酪蛋白酸钠与木质素结合和纤维素酶结合纤维素生产葡萄糖两个阶段，按照时间进行。添加纤维素酶后开始进行酶解，并定时收集上清液100L检测葡萄糖浓度。

采用带有折射率检测器的高效液相色谱、Aminex HPX-87H离子排斥柱分析收集上清液中的葡萄糖浓度，流动相采用5mM H₂SO₄，流速为0.6mol/L。其中酶解结束时葡萄糖的浓度为13.21g/L，纤维素生产葡萄糖的转化率为58.39％，相对未添加酪蛋白酸钠的长纤维酶解提高了10.67％。

本发明提供了一种预处理方式结合酪蛋白酸钠共同作用以提高生物质中纤维素转化效率的工艺思路及方法，在低酶负载量酶解结束时，经过处理的生物质可实现纤维素转化率87.93％的高转化率，降低生产过程中纤维素酶使用量的成本。具体实施该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (11)

1.一种提高生物质酶解效率的工艺，其特征在于，于缓冲液中，以透过20～40目筛网的去木质素纤维为底物，将底物与络蛋白酸钠于40～60℃搅拌，再经纤维素酶酶解；

所述去木质素纤维的制备方法为将生物质经碱法和双螺杆挤压法结合处理去除木质素，得到去木质素纤维；

所述络蛋白酸钠的用量为0.05～0.3g/g去木质素纤维。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述缓冲液为0.01～0.1M、pH＝4.5～5.5的柠檬酸钠缓冲液。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述去木质素纤维与缓冲液的用量为1g:(15～35)mL。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述筛网的目数为30目。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述络蛋白酸钠的用量为0.1～0.25g/g去木质素纤维。

6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述络蛋白酸钠的用量为0.2g/g去木质素纤维。

7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述搅拌的转速为50～250rpm。

8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述搅拌的时间为0.5～3.5h。

9.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述纤维素酶的用量为2～10FPU/g去木质素纤维。

10.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述纤维素酶的用量为5～10FPU/g去木质素纤维。

11.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述纤维素酶的用量为5FPU/g去木质素纤维。

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